工業(yè)無線測距、防碰撞及定位

測距是很多工業(yè)現(xiàn)場自動(dòng)化控制基礎(chǔ)，碰撞則是工業(yè)現(xiàn)場安全問題，兩者采用技術(shù)類似。測距需要高精度、高穩(wěn)定性，多是沒有遮擋，點(diǎn)到點(diǎn)一維場景。碰撞/定位涉及一維、二維甚至三維場景，允許有遮擋，需多點(diǎn)定位算法，精度沒有測距要求高，定位算法基礎(chǔ)是測距。

有很多測距/定位技術(shù)，比如激光測距、超聲波測距定位、可見光測距、毫米波雷達(dá)測距、北斗/RTK差分定位、UWB超寬帶定位。

一維無遮擋的測距和防碰撞，可以選擇激光、毫米波雷達(dá)、UWB超寬帶、北斗/RTK差分技術(shù)。有遮擋或兩維測距和防碰撞，需要選擇UWB超寬帶定位或北斗/RTK差分定位。

本文重點(diǎn)闡述在工業(yè)現(xiàn)場測距及防碰撞場景中，基于UWB超寬帶定位、北斗/RTK差分定位以及毫米波雷達(dá)測距產(chǎn)品應(yīng)用。

• 天車測距及防碰撞

• 叉車防碰撞

• 群塔防碰撞

• 斗輪堆取料機(jī)測距及防碰撞

  天車防碰撞

  
  

天車測距/防碰撞涉及大車、小車和吊鉤的測距/防碰撞監(jiān)測及控制。大車是X軸運(yùn)動(dòng)，涉及距離超過300米；小車是Y軸運(yùn)動(dòng)，涉及距離一般在50米以內(nèi)；吊鉤為Z軸運(yùn)動(dòng)，涉及距離20米以內(nèi)。小車定位測距多采用激光。通過編程器計(jì)算步進(jìn)電機(jī)計(jì)算出吊鉤的高度，適用短距離吊鉤高度的定位。

大車的定位由于距離的問題，激光和編碼計(jì)算方式都不合適，目前采用格雷母線方式，精度高，但是實(shí)施、維護(hù)以及成本都高，并且需要直線環(huán)境限制。

雷達(dá)微波的測距定位將成為解決大車測距和防碰撞的趨勢。

   雷達(dá)微波優(yōu)勢：

• 非接觸測距，施工簡單，無需停工

• 不受污染，潮濕和震動(dòng)影響，全天候工作，可以用于室內(nèi)/室外

•  無須精準(zhǔn)直線排列

• 無須額外操作和維修支出

雷達(dá)微波除了測距以外，還可以實(shí)現(xiàn)定位功能，在一些復(fù)雜的環(huán)境，比如遮擋等情況，采用多點(diǎn)測距定位方式可以有效修正和補(bǔ)償環(huán)境對(duì)于信號(hào)的干擾。

雷達(dá)測距包括基于UWB超寬帶（3.1G~10G）測距和毫米波雷達(dá)（57G~64G）測距方案。

UWB超寬帶測距方案

目前多數(shù)廠家的UWB測距的精度在10-30厘米，更高的精度應(yīng)用要求，需要在射頻設(shè)計(jì)以及算法優(yōu)化等實(shí)現(xiàn)。

測距基站采用的是雙向測距技術(shù)（TOF），它利用信號(hào)在兩個(gè)測距基站之間往返的飛行時(shí)間來測基站之間的距離。TOF測距技術(shù)是飛行時(shí)差測距,我們采用反向測量方法，即遠(yuǎn)端基站發(fā)送數(shù)據(jù)包，本地基站接收數(shù)據(jù)包，并自動(dòng)響應(yīng)，通過平均在正向和反向所得的平均值，減少對(duì)任何時(shí)鐘偏移量的影響,從而得到精準(zhǔn)的兩個(gè)基站之間的距離。

毫米波雷達(dá)測距方案

      采用57G-64G毫米波雷達(dá)，內(nèi)置定向天線，天線角度± 2.5°，可以單個(gè)、成對(duì)使用，測距精度達(dá)到5毫米，距離達(dá)到500米。

技術(shù)優(yōu)勢：

• 適用于室內(nèi)、室外 
  

• 無接觸式的檢測 

• 無移動(dòng)部件– 沒有損耗

• 無光學(xué)部件– 無需對(duì)鏡頭進(jìn)行清潔 

• 不受 溫度、粉塵、污染物、天氣和振 動(dòng)的影響

• 無需精密校準(zhǔn)，設(shè)定簡易 

     包括Primary, secondary, diversity三種測量模式：

叉車防碰撞

       工地有很多大型的車輛，不可能也不具備類似城市交通的車輛人員的管理，車輛之間、車輛和人員以及在轉(zhuǎn)角等場景的防碰撞的安全管理十分重要。

      通過車輛和人員部署及佩戴UWB通訊標(biāo)簽，可以很方便的基于UWB測距技術(shù)實(shí)現(xiàn)車與車、車與人之間的安全距離的聲光警示。

      該應(yīng)用作為獨(dú)立設(shè)備使用，不依賴系統(tǒng)和后臺(tái)，簡單實(shí)用。

■應(yīng)用場景一：人車防撞

車輛安裝測距基站及其聲光報(bào)警設(shè)備，人員佩戴測距標(biāo)簽，人員與叉車低于報(bào)警距離時(shí)報(bào)警器和標(biāo)簽同時(shí)報(bào)警

■應(yīng)用場景二：車輛間防撞

所有叉車都安裝測距基站和聲光報(bào)警器車輛間的距離小于報(bào)警距離后，車輛間相互報(bào)警

■應(yīng)用場景三：轉(zhuǎn)角防撞

轉(zhuǎn)角處安裝防撞測距基站及報(bào)警器,人員佩戴測距標(biāo)簽,叉車安裝測距基站，當(dāng)叉車或者人員靠近轉(zhuǎn)角時(shí)開始聲光報(bào)警

    叉車防碰撞系統(tǒng)由于及安裝簡單，已經(jīng)在國外被沃爾瑪超市等倉儲(chǔ)物流行業(yè)采用。

群塔防碰撞

  塔吊和多為室外工作環(huán)境，建議采用基于北斗/RTK差分的定位技術(shù)，可以達(dá)到塔吊和斗輪堆取料機(jī)厘米機(jī)的定位，實(shí)現(xiàn)安全管理目的。

• 采用北斗RTK差分技術(shù)定位精度厘米級(jí)

• 采用Bursa-Wolf模型將測量結(jié)果轉(zhuǎn)化到施工現(xiàn)場的坐標(biāo)系

• 實(shí)時(shí)測量的塔機(jī)的位置信息,速度和加速度信息,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)確定警示距離

• 參考層次包圍體算法對(duì)防碰撞算法，設(shè)計(jì)基于求異面線段距離的防碰撞檢測算法

北斗RTK差分定位依賴北斗的定位技術(shù)，通過地面部署的基準(zhǔn)基站的差分算法，可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的高精度位置服務(wù)。

北斗RTK差分定位高精度定位終端

斗輪堆取料機(jī)防碰撞防碰撞

堆取料機(jī)，是散貨堆場作業(yè)的核心設(shè)備。它是堆取料合一的機(jī)械，即是一種挖取和堆存煤炭、礦石、砂石等松散物料的高效率機(jī)械。它不僅適用于電廠，而且在碼頭、港口也很適用，大多數(shù)的轉(zhuǎn)運(yùn)煤及松散物料的碼頭、港口都采用斗輪堆取料機(jī)。

室外采用北斗RTK差分定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位。室內(nèi)可以采用UWB超寬帶定位技術(shù)。

 基于北斗RTK差分定位產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用到堆取料機(jī)精準(zhǔn)定位和防碰撞。

• 支持北斗單系統(tǒng)獨(dú)立定位測向和多系統(tǒng)聯(lián)合定位測向；

• 提供厘米級(jí)RTK定位精度和毫米級(jí)載波相位觀測值；

• 支持4G網(wǎng)絡(luò)/LAN網(wǎng)口進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸以及定位測向數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳；

• 預(yù)留慣性IMU導(dǎo)航設(shè)備融合接口

測距方案對(duì)比

UWB超寬帶（10-30厘米）：分米級(jí)定位精度、距離300米到500米，支持測距和兩/三維定位，室內(nèi)/室外都適用；目前室內(nèi)定位精度高的方案。

北斗RTK差分（1/2厘米）：厘米級(jí)定位精度，部署差分基站可以覆蓋20公里，只支持室外環(huán)境，天線架高無遮擋（需同時(shí)接收4顆衛(wèi)星信號(hào)），支持測距和兩維定位。

毫米波雷達(dá)（3-5毫米）：毫米級(jí)定位，距離500米，適用室內(nèi)和室外，只支持測距不支持定位。采用定向± 2.5°天線，不能被遮擋。